И приваркой металлов

Восстановление изношенных деталей является сложным процессом. В качестве заготовки используют изношенную, но уже сформированную деталь. Поэтому отсутствуют затраты на выполнение литья, ковки, штамповки и других операций. Но зато появляются дополнительные операции – мойка, разборка, дефектация, комплектация, затраты на которые следует учитывать.

Износ различных групп дорожно-строительных машин и автотракторного оборудования находится в широких пределах – от 0,01 до 10 мм. При этом было установлено, что около 85 % деталей имеют износ до 0,6 мм.

Износ поверхностей деталей распределяется следующим образом:

Цилиндрические 52 %;

Нарушение геометрической формы 13 %;

Резьбы 10 %;

Трещины и изломы 9 %;

Пазы, канавки 5 %;

Шлицы 3 %;

Конические, сферические поверхности 3 %;

Зубья шестерен 2 %;

Другие поверхности (плоские, профильные, фасонные) 2 %.

Номенклатура восстанавливаемых изделий насчитывает сотни наименований. Для рациональной организации технологических процессов восстановления деталей и оценки их качества существует несколько классификаций деталей. Из них самой распространенной является классификация по конструктивно-технологическим признакам. К ним относятся вид материала, масса и размер детали, вид и величина износа, точность изготовления, общность дефектов и их сочетание, а также способы восстановления. Одна из таких классификаций включает до 15 групп деталей, в числе которых:

1. корпусные детали двигателей;

2. корпусные детали пусковых двигателей, компрессоров и др.;

3. валы коленчатые и распределительные;

4. гильзы (цилиндры), шатуны, пальцы поршневые, валы и оси двигателей;

5. шкивы, маховики, диски сцеплений;

6. корпусные детали трансмиссий;

7. стаканы, ступицы колес, шкивов, вариаторов;

8. валы, оси трансмиссий, валы карданные;

9. детали кареток подвески;

10. звенья гусениц, колеса, ролики, шкивы, барабаны шасси;

11. рамы, брусья, оси, цапфы ходовой части;

12. рабочие органы.

Рациональный выбор эффективного способа восстановления деталей зависит от многих факторов. К основным относятся производительность, экономичность и доступность.

Промышленные методы восстановления деталей отличаются большим разнообразием. В их числе электрохимические (электролитические) и химические покрытия, диффузионные методы (цементация, нитроцементация, азотирование), наплавка, напыление, и др. Из них наибольшее применение находят различные способы наплавки (газовая, дуговая, плазменная и др.) и напыления (газопламенное, плазменное и др.).

Источником тепловой энергии для наплавки и напыления являются газовое пламя и электрический ток. В общем, объеме сварочно-наплавочных работ электротермические методы составляют 80 %, газопламенные – 20 %.

При напылении это соотношение несколько изменяется, но незначительно. Отличия напыления от наплавки заключаются в том, что при напылении практически отсутствует оплавление поверхности основного металла. В свою очередь это обусловливает основной недостаток напыления – относительно низкую прочность сцепления покрытия с основой. Как результат – ограничения в выборе восстанавливаемых деталей. Напыление целесообразно использовать:

1. для восстановления деталей, не подверженных значительным динамическим нагрузкам;

2. для восстановления деталей из чугуна и алюминия, трудно поддающихся восстановлению другими способами;

3. для восстановления деталей из любых сплавов, для которых не допускается их деформация.

К таким деталям относятся корпусные детали дорожно-строительных и других машин, у которых изнашиваются посадочные места (гнезда блока под вкладыши коренных подшипников; гнезда картеров коробок передач; опорные буртики, посадочные пояски гильз цилиндров; поверхность нижней головки шатуна и др.).

Кроме того, к ним относятся валы из чугуна, легированных и конструкционных сталей с изношенными посадочными местами (валы коробок передач, ходовой части машин и др.).

Достоинства сварки и наплавки:

1. недефицитность и дешевизна материалов;

2. простота, компактность и транспортабельность оборудования;

3. высокая прочность сцепления основы с наплавляемым слоем.

Недостатки:

1. большая глубина термовоздействия на основной металл;

2. структурные изменения и снижение эффективности проведенной термической обработки детали;

3. большие деформации (коробление) детали;

4. большие внутренние напряжения и, как следствие, снижение усталостной прочности.

15.1 Газовая (газопламенная) наплавка

Газовая наплавка – это один из способов сварки плавлением, протекающей в условиях частичного оплавления основного металла под воздействием высокотемпературного пламени, которое получают в условиях сжигания ацетиленокислородной смеси (Т ≈ 3300 К). При ручной газовой наплавке присадочный металл расплавляют пламенем, которое образуется при сжигании горючих газов в технически чистом О₂.

В зависимости от соотношения расхода кислорода и ацетилена (α = О₂/С₂Н₂) различают три типа пламени: нейтральное или нормальное (α = 1…1,25); восстановительное или науглероживающее (α < 1); окислительное (α > 1,25).

Обычно наплавку (и сварку) деталей из сталей, чугуна и цветных металлов выполняют нейтральным пламенем. Восстановительное пламя используют при сварке и наплавке деталей из легированных и высокоуглеродистых сталей, а также при наплавке твердых сплавов на изношенную поверхность. Окислительное пламя применяют, как правило, при резке металлов, а также при сварке латуни.

Наплавку осуществляют:

1. проволокой или прутком;

2. газопорошковой смесью.

В первом варианте используют горелки двух типов:

ГС – 2 и ГС – 3 (О₂ + С₂Н₂);

ГС – 3 и ГС – 4 (О₂ и пропан или природный газ).

Второй вариант состоит в напылении порошкового сплава специальной газопламенной горелкой (рисунок 15.1) на предварительно нагретую поверхность детали, оплавлении покрытия и последующего напыления с оплавлением до получения слоя требуемой толщины.

Газопламенная наплавка позволяет упрочнять детали сложной конфигурации слоем минимальной толщины (0,1 мм и выше) без разбавления основным металлом, так как переходная зона соединения составляет 100 – 120 мкм. Разработано (в мире) более 100 марок порошковых присадочных материалов. В основном это самофлюсующиеся сплавы на основе никеля и кобальта. В качестве присадочного материала используют порошки (20 – 160 мкм) с легирующими добавками бора и кремния, которые вызывают самофлюсующее действие, снижая температуру плавления порошковой смеси. Прочность сцепления с основой – 200 – 400 МПа. В зависимости от состава порошки применяют для заделки трещин в корпусных чугунных деталях, устранения неровностей поверхностей, а также для восстановления поверхностей.

Достоинства:

1. восстановление мелких деталей сложной формы;

2. снижение опасности трещинообразования (т.к. предварительно производят подогрев);

3. простота и доступность.

Недостатки:

1. большие тепловые потери при обработке массивных деталей;

2. расход дефицитного газа;

3. высокая квалификация сварщика.

В зависимости от марки материала можно повысить прочностные характеристики (твердость) до значений 50 – 60 HRC и 300 – 350 НВ.

15.2 Электротермическая наплавка

Источник тепла – электрическая дуга (электрический разряд в газах, возбуждаемый и поддерживаемый между наплавляемой поверхностью и электродом). Электропроводность газа обеспечивается электронами и ионами, возникающими при его термической ионизации и упорядоченно движущимися в столбе дуги (степень ионизации составляет несколько процентов, а такой газ называют низкотемпературной плазмой). Энергия частиц плазмы преобразуется в тепловую энергию и приводит к плавлению основного металла, а также электродного или другого присадочного материала.

Существует более 10 основных видов наплавки, отличающихся типом и природой наплавочных материалов, технологией наплавки и т.п. К их числу относятся ручная наплавка покрытыми электродами, механизированная наплавка под флюсом, в среде защитных газов, вибродуговая наплавка, плазменная, индукционная и др.

15.2.1 Дуговая наплавка покрытыми электродами

Покрытые электроды имеют стержень (проволоку диаметром 2…8 мм из низкоуглеродистой стали) и оболочку. Она содержит шлакообразующие компоненты защиты, легирующие и другие (раскислители; вещества, стабилизирующие горение дуги) вещества. В СНГ имеются 4 стандарта на электроды, которые включают 44 типа электродов с основным покрытием.

Пример: шлакообразующий компонент (плавиковый шпат CaF₂);

раскислитель (сплав Fe с Mn, Si, Ti, Al);

связующие (жидкое стекло);

легирующий компонент.

Этот метод используют при наплавке среднеуглеродистых и легированных сталей (подвергнутых закалке и отпуску) из-за отсутствия возможности провести термическую обработку после оплавки применяют электроды с покрытием, содержащим добавки, обеспечивающие повышенную твердость (Fe – Сr; Fe – Mn; Fe – Si; карбид бора и др.). Легирование деталей работающих в абразивной среде, осуществляют наплавкой специально литых и порошкообразных твердых сплавов (сормайт, стеллит). Следует отметить использование наклонных и лежачих электродов. В последнем случае используют как стандартные, так и специальные электроды и пластины. В целом наплавка имеет достоинства:

1. широкий выбор покрытых электродов;

2. возможность работы в полевых условиях;

3. низкая стоимость и транспортабельность оборудования;

4. наплавка на изделия сложной формы.

Недостатки:

1. самая низкая производительность (П = 0,5…3,0 кг/ч);

2. нестабильность качества (состава) наплавленного металла.

15.2.2 Дуговая наплавка под слоем флюса (механизированная или

автоматизированная)

Дуга скрыта под слоем сухого гранулированного флюса (толщиной 20…40 мм). Одновременно плавятся сварочный материал (проволока, порошковая проволока, порошковая лента), основной металл и флюс. Электроды:

1. проволока сплошного сечения (углеродистая, легированная и высоколегированная сталь);

2. порошковые проволоки (легированные и высоколегированные);

3. ленты (сплошны спеченные, металлокерамические).

Используют для механизированной наплавки: один электрод, многоэлектродную систему и электродную ленту.

Достоинства:

1. увеличенная производительность (2…15); (5…30) кг/ч;

2. гарантия наплавки слоя с заданным составом и свойствами (качество не зависит от квалификации сварщика);

3. возможность получения слоя толщиной 1…10 мм.

Недостатки:

1. ручное удаление шлаковой корки;

2. ограничения по размерам (Ø ≥ 50 мм) из-за высокой температуры разогрева металла;

3. коробление изделия из-за большого прогрева.

В качестве флюсов используют керамические, плавленые материалы и смеси. Применение керамических флюсов с легирующими элементами (любыми) перспективно для быстро изнашивающихся деталей машин (опорные катки, направляющие колеса, оси, цапфы рамы, рабочие органы). Флюсы-смеси – это стандартные плавленые флюсы, + легирующие элементы (графит, Fe – Mn; Fe – Si; Fe – Cr; Al).

15.2.3 Наплавка в среде защитных газов

Процесс наплавки протекает в условиях газового потока (под давлением) со стороны подачи наплавочного материала, что обеспечивает защиту зоны дуги и расплава от кислорода и азота воздуха. В качестве газовой среды используют СО₂, а также инертные газы (Ar, He и др.): с целью стабилизации дуги используют смесь Ar + 20 % СО₂ (или О₂). В качестве электродов используют сплошную и порошковую проволоку. Проволока сплошного сечения имеет диаметр 0,8…2,5 мм. В ее состав входят раскислители (Mn, Si) и легирующие добавки (Ni, Cr, Mo, Va). По стандартам СНГ имеются углеродистая, легированная и высоколегированная проволока. А также проволока из бронзы (Al – Fe; Al – Mn; Si – Mn). Порошковую проволоку выпускают легированную и высоколегированную для обеспечения износостойкого и коррозионностойкого слоя. Она состоит из мягкой тонколистой металлической оболочки и сердцевины из смеси порошков (сплавов, чистых металлов, карбидов, боридов, раскислителей, шлакообразующих и стабилизаторов). Ее диаметр 2,6…3,6 мм (менее 8 мм).

Имеется два варианта механизации:

1. механизированы все действия, включая подачу СО₂ и проволоки, перемещение горелки и детали;

2. механизирована подача СО₂ и проволоки, перемещение горелки и детали – вручную.

Для них разработаны автоматы и полуавтоматы.

Пример: Полуавтомат А – 1197П

Сила тока 500 А;

Диаметр проволоки 1,6…3,0 мм;

Скорость подачи проволоки 90…900 м/ч;

Источник питания выпрямитель ВДУ – 504;

Масса 35 кг.

Инертный газ исключает использование флюса, поэтому способ особенно эффективен при наплавке цветных металлов, высоколегированных сталей и других материалов, чувствительных к окислению и азотированию.

Достоинства:

1. ведущее место (в СО₂) в наплавке;

2. наплавка на тонкостенные и нежесткие изделия без деформации и разрушения;

3. высокая производительность (1,5 – 8,0 кг/ч).

Недостатки:

1. сравнительно низкая твердость и износостойкость наплавки, так как нет легирования через флюс;

2. в случае СО₂ его окисляющее действие требует применения (в проволоке) легирующих добавок Si и Mn.

15.2.4 Электрошлаковая наплавка

Ток от электрода к детали проходит через жидкий шлак (расплавленный флюс, температура флюса больше температуры электрода). Шлаковая ванна одной из своих стенок имеет восстанавливаемую деталь. У электрошлаковой наплавки самая высокая производительность – 150 кг/ч. В ванну добавляют нужные легирующие элементы.

Электрошлаковую наплавку можно использовать для восстановления ходовой части (опорных катков, звеньев гусениц) и других деталей, работающих в абразивной среде в условиях сухого трения, а также шестерен коробок передач.

15.2.5 Вибродуговая наплавка

Ее особенности – вибрация электродной проволоки и подача охлаждающей жидкости в зону горения. Частота вибрации составляет 50…100 Гц (амплитуда А = 1…3 мм) и достигается электромагнитным или механическим вибраторами.

Вибродуговую наплавку проводят с помощью автоматической вибродуговой головки (рисунок 15.2), которую устанавливают (вместо резцедержателя) на суппорте токарного станка. Она подает проволоку в зону наплавки и осуществляет ее вибрирование.

Охлаждающая жидкость (3…5 % водный раствор соды или 10…20 % водный раствор технического глицерина). С ее помощью:

1. закаливают наплавленный слой без дополнительной термической обработки;

2. защищают расплав металла от О₂ и N воздуха;

3. предотвращают нагрев детали.

С ее помощью наращивают детали из углеродистой и малолегированной стали практически любой толщины (до 3 мм за один проход).

Твердость и износостойкость покрытия при наплавке углеродистой проволоки имеют высокие значения без термической обработки. Основной металл почти полностью сохраняет свои физико-механические свойства, так как его нагрев меньше 60…80^о С, а зона термовлияния составляет 0,2…0,5 мм, что в 5…10 раз меньше, чем при обычной электродуговой наплавке (при этом коробление деталей ниже в 6…12 раз). Вибрация позволяет производить капельный перенос наплавляемого металла.

Достоинства:

1. производительность в 4…5 раз выше, чем при ручной дуговой наплавке;

2. высокая безопасность работ (из-за низкого напряжения);

3. отсутствие деформаций и коробления деталей.

Недостатки:

1. снижение усталостной прочности (при переменных нагрузках) из-за образования закалочных структур и возникновению растягивающих напряжений в покрытиях.

Вибродуговую наплавку используют для наращивания шеек и шлицев валов, посадочных внутренних цилиндрических поверхностей и шлицев зубчатых колес, звездочек, шкивов и других деталей, поверхностей трения тормозных шкивов и барабанов, муфт и т.д.

15.2.6 Плазменная наплавка

При упрочнении и восстановлении деталей в зависимости от их формы, условий работы применяют несколько разновидностей плазменной наплавки, которые отличаются типом присадочного материала, способом его подачи на изношенную поверхность и электрической схемой подключения. Вместе с тем, основным элементом технологического оборудования является плазмотрон. Несмотря на разнообразие конструкций, все плазмотроны состоят из электрода и сопла.

Плазмотрон – это устройство для генерирования высокотемпературной плазмы (Т < 100000 К) путем продувания газа через электрический дуговой разряд. Затем в зону электрической дуги подается наплавочный (или присадочный) материал в виде порошка, проволоки и их комбинаций (в том числе двух проволок). Разработано большое количество плазмотронов, которые классифицируются по следующим признакам:

1. По способу охлаждения электрода и сопла, различают плазматроны с воздушным и водяным охлаждением;

2. По типу дуги различают плазмотроны с дугой прямого и косвенного действия.

Дуга прямого действия (рисунок 15.3 а) зажигается между электродом (катодом) и изделием (т.е. изделие – в силовой цепи). Дуга косвенного действия (рисунок 15.3 б) зажигается между электродом и соплом (плазменной горелки).

Дуга прямого действия используется чаще при сварке и наплавке, плазменно-механической обработке металла (реже при резке). Дуга косвенного действия используется при напылении порошка, резке, поверхностной обработке неэлектропроводных материалов.

3. По плазмообразующей среде различают плазмотроны с инертной (Ar, He), восстановительной (Н₂, N₂, NH₃) и окислительной (О₂, СО₂, Н₂О и др.) средой.

Большинство плазмотронов работает на постоянном токе (но есть на переменном и импульсном). В СССР серийно выпускали различные установки:

– Для сварки – УПС – 301 (свариваемые толщины деталей 0,5 – 3 мм), УПС – 403, УПС – 503 (свариваемые толщины деталей 3 – 6 мм), УПС – 804 и др.;

– Для наплавки – УПН – 303, УПН – 302, УПН – 602;

– Для напыления – УП М – 5, УП М – 6, УПУ – 3, УПУ – 5.

4. По типу катодов (стержней) различают плазматроны с расходуемым, газозащищенным и пленкозащитным электродом. Самый распространенный газозащитный вольфрамовый электрод.

Процесс наплавки выглядит следующим образом (рисунок 15.4). Между катодом (W) и медным водоохлаждаемым соплом, которое является анодом, возникает дуга, которая нагревает поступающий в сопло горелки рабочий газ (смесь гелия (75 %) и аргона (25 %), а в качестве защитного газа – аргон), который истекает из сопла в виде плазменной (высокотемпературной) струи. Наплавочный (присадочный) материал (коррозионностойкая сталь, никель и его сплавы, медь и его сплавы) подают в сопло струей транспортирующего газа. Он (присадочный материал) попадает в зону плазмы, нагревается и переносится на деталь, при этом используют поперечные колебания плазменной горелки, что дает возможность получить широкий валик (до 60…70 мм).

Преимущества:

1. высокая производительность;

2. малая зона термовлияния и более низкая деформация обрабатываемых деталей;

3. использование для восстановления и упрочнения деталей нежестких конструкций и для нанесения тугоплавких металлов.

Недостатки:

1. низкая прочность сцепления наплавляемого слоя с основным металлом;

2. высокая стоимость работ.

15.7 Последующая обработка деталей

1) Последующий нагрев

При наплавлении деталей из среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей при охлаждении на воздухе возможно растрескивание наплавленного слоя. Для предотвращения этого эффекта применяется снижение скорости охлаждения металла (путем газопламенного нагрева или помещением детали в печь).

2) Обработка для снятия напряжений

Для релаксации остаточных напряжений используют отпуск (Т = 600…750^о С в зависимости от материала конструкции), механическую релаксацию напряжений и проковку (т.е. деформацию поверхностного слоя специальным молотком).

3) Механическая обработка

Механическая обработка, как правило, сопровождается освобождением остаточных напряжений в наплавленном слое, что вызывает деформацию изделия. Поэтому изделия, которые после наплавки требуют механической обработки, следует подвергать термической обработке для снятия напряжений. Изделие с наплавками из твердых сплавов (их механическая обработка затруднена) подвергают смягчающей термической обработке для придания заданной твердости. Механическую обработку ведут при небольших подачах и малых глубинах резания с помощью твердосплавных пластин (из карбида вольфрама и др.).

15.8 Применение наплавки

Как уже отмечалось, около 50 % изношенных и поврежденных деталей дорожно-строительных машин восстанавливают наплавкой (и сваркой).

Ее применяют с целью повышения износостойкости деталей, работающих при контакте с грунтами или полускальными породами (щебнем, гравием), в частности при ремонте бульдозеров, скреперов, одноковшовых экскаваторов для восстановления изношенных деталей.

К числу деталей, которые восстанавливают наплавкой, относятся режущие кромки отвалов бульдозеров, зубья ковшей одноковшовых экскаваторов и ножи скреперов, а также детали ходового оборудования – гусеничного (катки, траки, звездочки, башмаки и др.). При работе в условиях интенсивного износа основным фактором, определяющим износостойкость рабочих органов машин для земляных работ, является правильный выбор износостойкого материала. Об этом говорят данные из рисунка 15.5.

Вывод: в условиях среднего (2) и интенсивного (3) износа повышение твердости до HV 400…500 сопровождается заметным снижением износа, но при дальнейшем увеличении твердости износ не меняется.

Катки, траки и другие детали гусеничного ходового оборудования подвергают обычно автоматической наплавке под флюсом или в среде СО₂, обеспечивающей высокопроизводительное нанесение ровного слоя износостойкого сплава на рабочие поверхности деталей. При этом толщина слоя достигает 4…8 мм (в несколько проходов: 2 – 3) при подогреве основного металла до 200…250^о С (I = 325 А; U = 30 В). Зубья и ведущие звездочки подвергают ручной или полуавтоматической наплавке.

На землесосных снарядах, служащих для выемки со дна рек песка и породы с помощью специальных головок и выбрасывания грунта (пульпа) на большие расстояния. Наплавке подвергают: корпуса насосов (землесосных), рабочие колеса (крыльчатки) этих насосов, ножи головок. Корпус насоса – стальная емкость, внутри которой смонтировано рабочее колесо-крыльчатка. Во время работы при скоростном вращении рабочего колеса через его корпус проходит пульпа, что вызывает абразивный износ в сочетании с эрозионным износом, обусловленным высокой скоростью движения пульпы через насос.

Таблица 15.1 – Применяемость различных способов восстановления

для типовых соединений деталей машин

При восстановлении изношенных крупногабаритных корпусов насосов расходуются сотни килограммов наплавочного материала (карбид вольфрама, высокохромистые стали).